Session: 9C Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden (Schaffner Deutschland GmbH) 10/11. Oktober 2017 Lemgo

Transkript

1 Session: 9C Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden (Schaffner Deutschland GmbH) 10/11. Oktober 2017 Lemgo

2 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick

3 Einführung Schaffner Deutschland GmbH Hersteller von leistungsmagnetischen Filterkomponenten für die Schlüsselmärkte Traktion Antriebssysteme Erneuerbare Energien Tochter der Schaffner Gruppe mit dem Hauptsitz in Luterbach (Schweiz) Standort Büren Entwicklung und Vertrieb für die Division Power Magnetics Europa Jahresumsatz (PM EU): 16 Mio. Anzahl Mitarbeiter: 32

4 Einführung Forschungspartner Lehrstuhl für Fluidverfahrenstechnik (FVT) an der Universität Paderborn Mitglied des Kompetenzzentrums für nachhaltige Energietechnik (KET) sowie des Direct Manufacturing Research Centers (DMRC) Forschungsthemen: Transportphänomene in Mehrphasenströmungen Prozessintensivierung Prof. Dr.-Ing. habil. Eugeny Kenig Lehrstuhlinhaber und Vorsitzender des KET Kollonneneinbauten Kühlen und/oder Heizen von chemischen, mechanischen und elektrischen Systemelementen

5 Einführung Motivation/ Ausgangssituation für das Transferprojekt Ausgangssituation: Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Wickelgütern sind maßgeblich abhängig von deren thermischer Belastung Die Vorausberechnung des Erwärmungsverhaltens basiert heute auf Wärmequellennetzwerken unter der Annahme von Wärmeübergangsziffern. Insbesondere bei hochintegrierten Systemen (z.b. in elektrischen Bahnen) treten turbulente Strömungsverhältnisse auf. Die Vorhersage der Erwärmung und die Identifikation von lokalen Heißstellen unterliegt großen Unsicherheiten (unbekannte Strömungsverhältnisse insbesondere bei forcierter Kühlung). Strömungsmechanische Probleme sind in der Regel nicht analytisch lösbar. Mittels der numerischen Strömungssimulation soll die Erwärmungsvorhersage der Wickelgüter verbessert werden.

6 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick

7 Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden Zielsetzung Zielsetzung Integration der numerischen Strömungsmechanik in die bestehenden Berechnungsmethoden von Wickelgütern bei der Schaffner Deutschland GmbH Anpassung geeigneter und am FVT bekannter Modellierungsansätze für die Berechnung von Induktivitäten mit forcierter Kühlung Validierung der Berechnungsmethoden durch Messungen bei der Schaffner Deutschland GmbH Seminar zu den Besonderheiten bei Durchführung von CFD- Simulationen von Wickelgütern Eigenständige Durchführung von CFD-Simulationen bei der Schaffner Deutschland GmbH

8 Thermische Analyse von Induktivitäten basierend auf den CFD-Methoden Vorgehensweise AP 1: Herleitung eines geeigneten Modellierungsansatzes - Auswahl eines Prüflings - Bereitstellung von CAD-Daten - Entwicklung eines Modellierungsansatzes - Wahl der Modellgrenzen - Ableiten eines CFD-Modells - Durchführung von CFD-Berechnungen AP 2: Schaffung einer Validierungsgrundlage - Durchführung von Validierungsmessungen - Temperatur / Verluste - Bewertung von Berechnungsergebnissen - Bewertung des Modellierungsansatzes AP 3: Integration von CFD-Methoden in den Entwicklungsprozess - CFD Schulung / Leitfaden zur CFD- Berechnung von Wickelgütern - Eigenständige Durchführung von CFD-Simulationen - Integration in den Entwicklungsprozess

9 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick

10 Ergebnisse Auswahl des Prüflings Netzfilterdrossel Bauart Induktivität Bemessungsstrom Frequenz Kühlung Luftdrossel 2mH 310A DC AF Auswahlkriterien Möglichst einfacher geometrischer Aufbau Möglichst geringer Modellierungsaufwand Genau erfassbare Verlustleistungsquelle Bekannte Eingangsgrößen für die Simulation

11 Ergebnisse Die Wicklung besteht aus einem geschichteten Aufbau von Leiter und Isolationssystem Modellreduktion erforderlich, damit eine CFD-Berechnung mit heutigen Rechnern möglich wird Abbildung der Wicklung über effektive Materialparameter Anwendung weiterer notwendiger Geometrievereinfachungen

12 Ergebnisse Für die realitätsnahe Berechnung der Strömungsverhältnisse sind die realen Umgebungseinflüsse auch in der Simulation zu berücksichtigen.

13 Ergebnisse Größenverhältnisse - Abmessungen (mm) Ø Ø180 Einlass Forcierte Kühlung: 900m 3 /h ~3,3m/s Auslass Berechnungsaufwand Gitter: 23 Mio. Zellen Dateigröße: ca. 7 GB Rechenzeit: ca. 4 Std. (Parallelrechnung auf 256 Kerne Intel Xeon)

14 Ergebnisse Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten 1. Strömung 2. Wärmetransport Geschwindigkeitsfeld mit Stromlinien (Schnittebene des Windkanals) Turbulente Strömung 3D: stationär, einphasig, inkompressibel, konstante Stoffdaten u z (m/s) Z-Richtung

15 Ergebnisse Zur Validierung der CFD-Simulation wurde ein Wärmelauf durchgeführt. Positionierung der Temperaturfühler Kurvenverlauf infolge Erwärmung durch Stromfluss

16 Ergebnisse Vergleich der Berechnungsergebnisse Lage Messung in C Punktprobe in C (laut Foto) Differenz in K Maximale Differenz beträgt 7K im Vergleich zur Messung Mittelwert Lage in C Maximalwert Lage in C ,3 61, ,5 59, ,3 58, ,25 70,5 In Simulation: Guter Temperaturausgleich über die Lage geringer Einfluss des Messortes Gleichmäßiges Temperaturprofil stellt sich ein Hotspot Deckplatte Identifikation von thermischen Hotspots mittels CFD

17 Ergebnisse Schulung der simulationsverantwortlichen Mitarbeiter der Schaffner Deutschland GmbH in einem zweitägigen Workshop Teil 1: Einführung/ Grundlagen zulässige Modellvereinfachungen Teil 2: Angeleitete Übungen zur CFD-Simulation Selbstständige Simulationen Grundstein für die weitere Integration der CFD in den Entwicklungsprozess

18 Agenda Abschlusspräsentation Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick

19 Resümee und Ausblick Resümee Berechnungs- und Modellreduktionsansätze für die CFD- Simulation von Wickelgütern entwickelt Gute Übereinstimmung von Simulation und Messung Der Berechnungsaufwand ist für das Tagesgeschäft noch zu hoch Große Rechengitter vonnöten (ca. 30Mio. Zellen) HPC ist Voraussetzung (> 256 Kerne) Erfahrungsaustausch bildet die Grundlage für die weitere schrittweise Integration der CFD Ausblick Schaffung einer Arbeitsgrundlage für zukünftige Projekte z.b. Ausweitung auf komplexere Geometrien Trafo mit integrierter Drossel Reduktion des Rechenaufwandes z.b. durch Ausnutzung von Symmetrien oder Fokussierung auf Modellausschnitte Umsetzung der entwickelten Modellierungsansätze für einfache Problemstellungen

20 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!